（农业电气化与自动化专业论文）基于单片机粮仓测控系统的研究.pdf

摘要 粮食的质颦、粮食的数簧和粮食的安全关系到国比经济的发展和社会稳定的人局。因此 做好粮食的储备 作具有重大的意义。影响粮食储藏好坏的物理参数是粮食的温度、湿度锌 因素。对于粮食安全性检测还有防盗也是必不可少的快速、准确地检测这些参数井及时进 行处理对于减少粮食损耗是有着重要的现实意义。 本系统由上位机( p c ) 机、主机、分机、温度、湿度、人体红外、通风控制器组成。分 机是采川s t c 8 9 c 5 2 单片机作为核心来设计的，充分利用了单片机的数据处理及实时检测功 能；串行通讯采用m a x 4 8 5 模块。能够实现多路采集输入和多路输出控制功能，f = 具有系统 故障报警和参数越限报警功能。c p u 实现对各传感器输出的循环采集并根据其与环境参量的 对应关系转换成相应的温度值、湿度值、防盗安全外围电路主要包括时钟电路、电源电路、 串口通讯电路、键盘电路、a i d 转换电路、控制电路、模糊控制的设计及仿真等。 本系统的l ：作过程，上位机经过一定程序运行后向单片机发出启动信号，启动单片机及 被控机构同时，准备接收下位机即单片机送来的信号和数据被启动的f 能机，一方面定 时启动传感器来测簧粮仓环境，并将采集到的信号经放大器放大。送入 d 转换电路转换成 相应的数字鼍后送入单片机进行预处理，另一方面把采集到的数据存储并向中心上位机发 送，同时，上位机发出控制信号，控制执行机构以达到粮食所需的环境。 本系统土要实现对粮仓中各环境参数的现场采集，并对采集上来的数据进行分析、处理 从而使粮食处于安全状态。 基丁二对粮仓智能化测控系统的研究，本文的主要研究内容有以f 几个方面： 收集资料。了解更多关于粮食储藏、粮仓环境因子情况，掌握目前国内外粮仓测控系统 的研究状况，分析其优点和缺点；设计粮食测控系统的整体组成方案：研制传感器的检测电 路及再部分组成电路完成粮情测控系统的硬件设计；学习模糊控制原理及算法；利川m a t l a b 仿真：利刚v b 语言对系统上位机进行软件设计；利用汇编语言对系统下位机进行软件设计； 为了提高系统的可靠性和安全性，研制系统的抗干扰措施。 关键词：粮库； 测控系统；传感器；单片机：模糊控制 v s t u d yo nb a r nm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e d o ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t g r a i nq u a l i t y , g r a i nq u a n t i t ya n dg r a i ns u d t yi sv i t a lt ot h en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t a n ds o c i a ls t a b i l i t y p h y s i c a lp a r a m e t e r sf o rg r a i np r e s t i g ea r et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n ds oo n i n s e c tp e s ts e c u r i t yi sa l s oe s s e n t i a lr e g a r d i n gt h eg r a i ns e c u r i t ye x a m i n a t i o n f a s t , a c c u r a t e l y e x a m i n et h e s ep a r a m e t e r sa n dp r o m p t l yc a r r i e , so np r o c e s s i n g , h a s t h ei m p o r t a n t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c er e g a r d i n gt h er e d u c t i o no f g r a i nl o s s t h es y s t e mi sm a d eu po f p c ，m a i nc o m p u t e r , e x t e n s i o nc o m p u t e r , t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r , h u m i d i t yc o n t r o l l e r , m o i s t u r ec o n t r o l l e r , h u m a nb o d yi n f r a r e dc o n t r o l l e ra n da e r a t i o nc o n f f o l l e r a d o p t e ds t c 8 9 c 5 2s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rt of o r mt h ec o o f t h es y s t e m t a k ef u l la d v a n t a g e o f d a t ao ”o sa n dr e a l t i m ed e t e c t i o no f t h e c o m p u t e r ；, t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nu s e st h e m a x 4 8 5m o d u l e , c a nr e a l i z et h em u l t ic h a n n e lg a t h e r i n gi n p u t , t h em u l t ic h a n n e lo u t p u tc o n t r o l f u n c t i o na n ds y s t e mf a i l u r er e p o r t i n gf u n c t i o n c p uc i r c u l a t e st oa c q u i r eo u t p u t so f s e n s e r s ，a n d t h e nc o n v e r t st h e mt ot h et e m p e r a t u r ev a l u e ，h u m i d i t yv a l u ea n dm o i s t u r ev a l u e , a c c o r d i n gt ot h e e n v i r o n m e n tp a r a m 啪t h ep e r i p h e r ye l e c t r i cc i r c u i tm a i n l yi n c l u d e st h ec l o c kc i r c u i t , t h ep o w e r c i r c u i t , t h ek e y b o a r dc i r c u i t , t h ea ，ds w i t c h i n gc i r c u i t t h ec o n t r o lc i r c u i t , f u z z yc o n t r o ld e s i g na n d s i m u l a t i o na n ds oo n w o r k i n gp r o c e s so f t h es y s t e mi sa sf o l l o w ：p cs e n d so u ts t a r ts i g n a lt ot h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra f t e rc e r t a i np r o c e d u r ee x e c u t e d a tt h es a m et i m e ，p 陀p a 他st or e c e i v es i g n a l sa n d d a t af r o mt h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n e l o w e rp o s i t i o nm a c h i n ew h i c hs t a r t e d ，o nt h eo n eh a n ds l a t t s t h es e n s o rt 0s u r v e yt h eg r a n a r ye n v i r o n m e n ta tf i x e dt i m ei n t e r v a l t h e ne n l a r g et h eg a t h e r e ds i g n a l t h r o u g ha m p l i f i e r , a n dt h e ns e n d st ot h ea ds w i t c h i n gc i r c u i tt ot r a n s f o r mt h es i g n a lt ot h e c o r r e s p o n d i n gd i g i t a lq u a n t i t y t h e na r e rs e n dt ot h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t c rt oc a i t yo n p r e t r e a t m e n t , o nt h eo t h e rh a n d s t o r et h ed a t aa n ds e n dt h e mt ot h ec e n t e rc o m p u t e r , a tt h es a m e t i m et h eu p p e rc o m p u t e rs e n d so u tc o n t r o ls i g n , st oc o n n o lt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c yt oa c h i e v e t h eg r a i ns t o r a g ee n v i r o n m e n t t h i ss y s t e mm a i n l yd e a l sw i t hg a t h e r i n ge n v i r o n m e n tp a r a m e t e r sa n dc a r r y i n go na n a l y s i s ， p r o c e s s i n g t ot h ed a t aw h i c hw a mg a t h e r e d t h u sg u a r a n t e ef o o ds e c u r i t ys t a t u s b a s e do ng r a n a r yi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m t h em a i nr e s e a r c ho f p a p e ra sf o l l o w ： d a t ac o l l e c t i o n ，g e t t i n gt ol e a r nm o r eo nf o o ds t o r a g e ，b a r ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dt h e c u r r e n ts i t u a t i o nd o m e s t i ce n di n t e r n a t i o n a lg r a i nm o n i t o r i n gs y s t e ma n a l y z et h e i rs t r e n g t h sa n d w e a k n e s s e s ；d e s i g nt h eo v e r a l lc o m p o s i t i o np r o g r a mo f g r a i nm o n i t o r i n gs y s t e m ；d e v e l o p m e n to f v i t h es e n s o rd e t e c t i o nc i r c u i ta n dc i r c u i to f d i f f e r c mc o m p o n e n t st oc o m p l e t eh a r d w a r ed e s i g no f g r a i nm o n i t o r i n gs y s t e m ；l e a r n i n gt h e o r i e so f f m z yc o n t r o la l g o r i t h m s ，s i m u l a t e i n g m a t l a b ；d e s i g ns o f t w a r eo f t h eu p p e rc o m p u t e ru s i n gv bl a n g u a g e ；d e s i g ns o f t w a r eo f t h el o w e r c o m p u t e ru s i n ga s s e m b l yl a n g u a g e ；d e v e l o p i n ga n t i - j a m m i n gm e a s u r e s ，i no r d e rt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：g r a i ns t o r a g e ；m o n i t o r i n gs y s t e m s ；s e n s o r s ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；f u z z yc o n t r o l c a n d i d a t e ：s u ny a o y a o m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l u t r i a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gc h a n g l i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 蓬；垫遣直基丝孟塞挂型壅塑敛! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均包在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：白强设日期：加刁年月7 f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弓，卜渡设 日期：z 加7 铋, q7 日 导师签名：彩别日期缈7 讪易日 1 引言 1 1 研究的背景与意义 农业是国比经济的基础，粮食是基础的基础。近年来，随着农业科学技术的不断进步， 农业生产持续而稳定地增产。农户生产粮食数量也日益增多，绝人部分农比不仅解决了温饱 问题。而且有了更多的粮食。粮食年产量和常年储存量均居世界首位。中央粮食储备有较为 完善的仓储设施利技术保障，在保证国家粮食安全方面发挥着重要作川。但是，我国还有一 半以上的粮食储存在农民手中，这些粮食的储藏安全是国家粮食安全的重要组成部分。长期 以来由丁r 种种原因，忽视了农户粮食储藏技术的研究与推广，农户粮食的储藏技术1 常落后 给国家和f 人民造成了巨大的损失 与此同时粮食产量增长所依赖的资源正在告急，如耕地面积进一步减少，水十流失日益 严重。生态平衡遭剑破坏。人口仍在增长的状况而提高粮食总产量的空间已很小还有我 国到2 0 4 0 年人口将达到1 6 6 亿。根据我国现有的光、热，水、土和气候资源，中国科学院 在我国十地的人口承载能力研究中指出：我国粮食最大可能生产能力为8 3 亿吨，按联 合国确定的展低标准人均5 0 0 k g 计1 6 6 亿人口是我国国十的人口承载能力的极限。这就迫 使我们必须将粮食产后的损火降低到最低限度，减少粮食的储藏损失无疑是利国利比的好事， 是保证国家粮食安全的大事。在这样一种大形势下，国家投资兴建了人型现代化粮库最人 粮库方圆儿公里，仓库房数为数十个。由于大型粮库中粮仓的容量和粮库的规模都是前所未 有的，这些因素对原有小粮库的正常运行带来了一些新问题。主要存在问题有如何随时掌握 每个仓内粮食的质量变化情况，保证入库的粮食在较k 时间的保存期内不变质。 2 1 世纪，人类社会发展有三个不可能逆转的趋势：第一是人口的增k 现今t 日= 界人口已突 破6 0 亿，2 0 5 0 年可能达到1 0 0 亿；第二是耕地逐年减少，人均占有耕地将会更少：第三是 人类对社会物质生活的需求越来越高。这三个趋势必然导致粮食危机，必然会提山怎么养活 1 0 0 亿人口的问题。据联台国世界粮农组织统计，每年粮食因储存不善造成霉烂损火| i j t 日：界 粮食总产量2 0 亿吨的1 5 可达3 0 0 0 万吨。按人均每年2 5 0 k gi = l 粮计算，相当于1 2 亿人 一年的口粮( 世界目前有8 亿人处于饥饿或半饥饿状态) ；我国粮食总产量5 亿吨按这个百 分比计算，霉烂粮食为7 5 0 万吨如果不霉烂，可解决3 0 0 0 万人一年的口粮。因此，人类必 须千方百计地杜绝粮食的任何损失浪费，决不允许粮食在储存期间出现象现在这样的每年霉 烂3 0 0 0 万吨的严重损失。做好粮食储备工作对促进经济稳定发展和社会安定，具有重人的 意义。 粮仓测控系统包括：粮食检测、分析与通风控制。粮食检测”在粮食储藏过程中所起 的作刚就像“人工”保管时期保管人员的“眼睛”和“鼻子”。对粮食储藏过程中各种粮情进 行实时观察并密切关注着粮情的实时变化；“粮食情况分析”就像保管人员的“大脑”对 通过“眼睛”和“鼻子”观察到各种粮情及变化情况，并根据粮食储藏技术的特点_ 手i i 粮食储 藏的各种环境条件进行综合分析与判断给出相应的结论及处理建议；“通风控制”就像保管 人员的“手”和“足”根据“大脑”的结论和处理建议来采取相应的处理措施，以确保粮食 处在适宜的储藏状态保证粮食储藏的安全( 赫振方，2 0 0 1 ) 。 粮食检测是对粮食储藏过程中粮堆温度、仓内温、湿度、大气温、湿度等基本检测参数 变化的记录。粮情检测系统是通过电源电缆、通讯电缆将计算机、检测主机、检测分机、分 线器和测温电缆等连结起来构成的系统。粮食检测过程是把埋在粮堆内的温度传感器所感虑 到粮堆内的温度变化情况，通过分线器、检测分机、检测主机而反映到土控机房的计算机上， 使库膀保管人员可以随时观察粮堆内的温度变化情况，并采取相应的处理措施以确保粮食 储藏过程的安全。建立粮食监测产品技术席_ i j 新体系应本着一切从国情出发从实际需要 出发从目前国内的技术水平出发，面向遍布全国各产区和销区粮库的不同仓房类型平功能 的粮情检测成套系列化产品经济实用地满足粮食储藏的不同需求。 本课题研究的是一种基于r s - 4 8 5 总线的集温度、湿度、防盗检测为一体的粮食测控系 统，用高精度的数字式温湿度传感器，采用佃位高速模数转换器使得系统凡有高品质的测颦 准确度；防j ； i 检测采川热释电红外传感器( p i r ) ，该传感器能以1 f 接触式检测山物体放山的 红外线能颦变化，l = 将其转换为电信号输出。运用集成运算放人器：j l 进行两极放人，以使其 获得足够的增益； 1 2 国内外粮仓技术现状 粮仓铡控技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代，它是科学保粮的重要技术之一随着国家农 业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应川和推广。国家粮食总产量不 断突破历史新高。但国家的粮食储备状况自建国以来却没有得剑明显改善。全国8 0 左右的 粮食仍采川原始的存储方式。初期，以铜电阻，热敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变 化来反映粮食温度的变化为粮食保管提供参考依据。但此工作靠人。f ：一点一点测精，效率 低准确性差。在粮食部门各级领导的关怀和粮食行业科技主管部门的人力支持f ，在粮食 行业内、外j “丈科技工作者近3 0 年的共同努力下，粮食检测技术不断完善、提高、并日趋成 熟，逐步形成了样式繁多的粮情检测系统，为安全、科学储粮起到了积极的作用。 在储藏过程中，粮食受温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情 况。为了减少粮食储藏过程中的损失，保障粮食的品质平质量，首先应该及时准确地带握粮 食储藏过程中各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。 法国储粮专家j e l a s s e r a n ，d b e r h a n t 采用温度调节器来控制温度。实验在一个5 0 0 吨、 高1 6 米的中型仓中进行。研究表明在低温气候下从夏季到秋季经2 3 次通风每次要持 续儿个晚上每天4 1 0 小时，可将温度从3 0 0 c 降到s c ( 在英国气候条件卜) 在冬天粮温 可保持不变，井在春天有所上升，经过一年的实践表明：不仅甲生状况良好。而且粮食的品 质没有变化：澳人利弧g i b 等专家最近研究了一种以p c 机为基础的可遥控利监侧通风系统 的通风控制器该控制器包括一台p c 机和相关的软件、气象预报台和粮堆中的灵敏元件。 它能灵活地、有效地控制通风系统，减少通风费用，并可以实行联网，从而不必依靠仓库管 理人员收集的情况。就能得到通风系统的有关数据和系统的运行情况。目前他们止进一步 完善该通风控制系统并建立通风过程中热晕和物质水分转换的数学模型：1 9 8 7 年我国兄子丹 等报道了储粮机械通风的计算机控制系统。根据在仓房内通风试验得到的数据，建立一个数 2 学模型表示粮食平衡水分的关系。用该模型编制电算程序，观察粮食的通风效果，井根据物 理参数的变化确定控制通风的有效方式；1 9 8 8 年王善顺等报道了机械通风储粮与白动控制， 并介纠了机械通风控制器的试验情况；2 0 0 4 年汤庆设计了粮库温度监控系统，该系统从温度 传感器、数据传输方式、上位机监控软件三个方面如手对粮库系统加以改进：2 0 0 5 年施伟徉 研究了基于c a n 总线的粮食监控系统，该系统完成了对各仓房的温湿度的实时巡检，并对 采集数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况( 黄春霞。2 0 0 5 ) 。 现在国内己有数十家企业生产粮情检测系统产品，品种繁多系统结构各异，但其基本 功能无外乎粮仓f j | 外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风机械的控制等儿项( 张剑， h t l p ：w w w j i c h c n g n e t c n ) 。 1 2 1 按温度传感器分类 ( ”热敏电阻 以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低，体积小，简单、 可靠、响应速度快、容易使用等特点。在多项温度测量应用中受到广泛欢迎，同样也是国内 粮情检测系统中采_ 【l j 最多的温度传感器热敏电阻的电阻温度系数较高，室温电阻通常也较 高，因此其自身发热较小信号调节较为简单热敏电阻的缺点是互换性差，温度与输出阻 值之间早1 f 线性关系。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种，但在 温度测颦虑h j 中，正温度系数热敏电阻较少得到采用，更多采用的是负温度系数热敏电阻。 以下提及的热敏电阻均指负温度系数热敏电阻 采用热敏电阻作为温度传感器的粮情检测系统的硬件由上位机、通信接口电路、智能分 机、温度分线器、测温电缆，湿度分线器、测湿探头和通风控制器组成。在上位机上运行粮 情检测系统软件，对检测到的温湿度数据进行分析，根据粮仓内外温湿度条件判断是否可以 进行通风，手动或白动控制通风机械的启动和停止。通信转换电路分为内置式和外挂式两种， 主要完成两种通信协议之间的衔接转换功能。智能分机是由微处理器、a d 转换电路和通信 电路等组成，主要功能包括接收上位机下达的指令、将现场采集上来的模拟信号数字化、向 上位机传送数字化的温湿度值、向通风控制器下达启动或停止指令等。温湿度分线器主要完 成接收智能分机下达的指令、将模拟开关切换到指定的温湿度测量点等功能。通风控制器土 要功能是根据智能分机下达的指令控制通风机械的启动和停止。智能分机与温湿度分线器和 通风控制器之间均采用单根多芯电缆连接。具有结构简洁、维护方便、成本低等诸多优点。 采用热敏电阻作为温度传感器的测温电缆是粮情检测系统的重要组成部分，它是将多个 热敏电阻置a - - 根测温电缆之中，电缆内加细钢丝绳提高抗拉强度、外加绝缘护套密封防腐。 采用热敏电阻作为温度传感器的粮情检测系统的温度检测范围一般在- 4 0 ( 2 + 5 0 c 之间t 检 测精度为i c ，完全满足粮情温度检测的需要。根据其系统结构的特点，一股在单根测温 电缆上置入3 4 个热敏电阻，特别适合房式仓储粮环境 ( 2 ) 数字式温度传感器 数字式温度传感器的种类也不少，但用于粮情检测系统的温度传感器主要是美国d a l l a s 公司生产的d s l 8 8 2 0 系列温度传感器，其温度检测范围为- 5 5 c + 1 2 5 c ，检测精度为 0 5 。d s l 8 8 2 0 采用1 w i r e 接口，封装形式有p r - 3 5 和8 - p i ns o i c 两种，粮情检测系统 中采用的是p r 3 5 封装。d s l 8 8 2 0 采用9 个位表示测温点的温度值每个d s l 8 8 2 0 内部都设 置有一个单一的序列号因此可以使多个d s l 8 8 2 0 共存于同一根数据传输线上。d s l 8 8 2 0 内部分为4 个部分：1 ) 6 4 位序列号；2 ) 保存临时数据的s 字：常片内r a m ；3 ) 保存永久数据的 2 字节e e p r o m ；4 媪度传感器。 采刚数字式温度传感器的粮情检测系统的结构与采用热敏电阻粮情检测系统的结构人致 相同，只是用检测单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。检测单元与智能分 机的区别在丁没有h j 丁将温度信号数字化的a d 转换电路，取而代之的是1 w i r e 总线与上 层通信总线之间的通信转换电路如果系统选用了数字式湿度传感器则检测单元将完全由数 字电路组成而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的，这将使检测单元的电路设 计更为容易。 采用d s l 8 8 2 0 温度传感器的粮情检测系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆人不相同该 测温电缆最多只需3 根导线即可连接多个d s l 8 8 2 0 温度传感器。最为简洁的结构是利川 d s l 8 8 2 0 可以通过数据线供电的特点，在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多 个d s l 8 8 2 0 温度传感器。这样不仅使测温电缆的制造简便、成本下降，而且提高了测温电缆 的抗拉强度、便丁温度传感器的更换。正是这些特点使得采用d s l 8 8 2 0 温度传感器的粮情检 测系统更适川丁高人粮仓( 请如浅圆仓、立简仓) 的应_ = | 环境，可以解决高大粮仓在不需重新 安装测温电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。 1 2 2 按通讯方式分 ( 1 ) r s - 4 8 5 总线接口网络 在r s 4 2 2 标准的基础上e i a 研究出了一种支持多节点、远距离平接收高灵敏度的 r s - 4 8 5 总线标准。与r s - 2 3 2 一样，r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定， 而不涉及接插件、电缆或协议。在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。r s - 4 8 5 具有 远距离、多节点( 2 5 6 个) 以及传输线成本低的特性，是一种基于差分信号传送的串行通信链路 层协议。它解决了r s - 2 3 2 协议传输距离太近( 4 0 0 m ) 的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数 据通信链路层协议。 由丁它使h i 一对叔绞线传送差分信号属半双工通信所以需要进行接收和发送状态的 转换。前面我们说过，很多设备都带有r s - 2 3 2 c 串1 3 且对它提供了很好的支持t 所以现在对 r s 4 8 5 总线网络的用法多是通过r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 接1 3 转换芯片来进行。与r s - 2 3 2 c 总线接口 网络相比，就是增j j n - j 接口芯片，其他方面几乎是一样的，相当于是r s - 2 3 2 c 总线接口i 网络 的升级，所以额外的软硬件成本也是非常低的，但它所能连的节点数较多，传输距离k f1 2 0 0 m ) 所以较k 距离数据通信时广泛采用这种方案。r s - 4 8 5 总线网络示意图如幽1 - l 所 示 4 图1 1r s - 4 8 5 总线网络示意图 f i g 1 1r s - - 4 8 5b u sn e t w o r ks c h e m a t i cd r a w i n g ( 2 ) 现场总线鼹络 随着计算机和网络技术的发展，以智能仪表和分散控制为特色的现场总线技术把：j = = 业 控制网络带入了一个新的时代。然而现场总线仍存在很大的局限性。首先，现场总线主要是 低速网络，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，主要用于数据采集币i 控制信号 的输出，只能实现些简单的控制算法。其次，目前出现了p r o f i b u s 、f f 、l o n w o r k s ，c a n 等多种现场总线，现场总线没有一个统一的标准各种现场总线产品之间很雉实现互操作。 现场总线白身技术的局限性以及多种总线标准共存的局面，限制了现场总线技术在，i ：业控制 网络中的进一步发展。在过程控制领域多种现场总线互不兼容，信息网络存在协议上的鸿 沟。导致出现“自动化孤岛”，在企业网络的不同层次间传送的数据信息已变得越来越复杂， 不利丁建成整个开放式的控制系统。 ( 3 ) 基于t c w i p 协议的有线以太网 随着i n t e r a c t 技术的不断发展，以太网和t c p i p 协议已成为世界范用内的事实标准，基 于t c p i p 协议的以太网可以满足工业控制系统各个层次的需求。与以往的i ：业控制网络相 比，基于以太网的：r 业控制网络具有很多优势以太网有更高的通信带宽，能够满足不断增 长的数据通信的需要。通过t c p i p 协议，可以方便的实现现场设备层和企业管理层的无缝 连接。而且以太网设备价格低廉，实现简单，能够大大降低控制系统的成本。而随着高速 以太网和交换式以太网技术的发展，以太网作为工业控制网络在实时性方面的问题止逐渐得 以解决。种种迹象表明基于咀太网的工业控制网络将成为f - - 代工业控制网络的重要选择， 井将带来1 ：业控制网络新的变革( 绍丽红，2 0 0 5 ) 。 1 3 粮仓测控系统的发展趋势 对比国内外温室环境控制研究及应用情况我们可以看出，温室环境控制系统止向着分布 式、网络化，智能化方向发展 ( 1 ) 分布式 目前j j ：业控制的发展我们可以分为五个阶段：人工控制阶段、以模拟表为主的控制阶段、 ， 计算机参与的控制阶段、分散控制d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 阶段、现场总线控制f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 阶段。 ( 2 ) 网络化 网络通讯技术是目前最有活力，发展最快的高科技领域。网络技术的麻川使得信息的交 换速度、范甬、信息鼍得到了极大的提高。随着网络在生产中的应川，使得在线远剃服务成 为可能。我们可以利用远在千里之外的专家来解决现场问题它改变了传统的信息传播方 式，对人类的生活方式造成了重人影响。 ( 3 ) 智能化 利_ f j 计算机强大的数据运算能力巨大的存储空间，从而能够将种植者的经验通过管理 软件州化起来。指导非专业人员或技术不熟练人员代替专家进行工作。目前神经网络、遗传 算法，模糊推理等人 智能技术在设施农业中得到重视并逐步发展。 其次，为了适麻各地地域特点，气候差异，粮仓测控系统还表现出多样性以及个性化的 特点。 1 4 本文的主要工作 基丁对粮仓智能化测控系统的研究，本文的主要内容有以f j l 个方面： ( 1 ) 收集资料。了解更多关，丁 粮食储藏、粮仓环境冈子情况掌握目前国内外靛倩测控系统 的研究状况。分析其优点和缺点； ( 2 ) 设计粮情测控系统的整体组成方案： ( 3 ) 研制传感器的检测电路及各部分组成电路，完成粮情测控系统的硬件设计； ( 4 ) 利模糊算法进行控制，并用m a f l a b 进行仿真； ( 5 ) 利_ 【 jv b 语言对系统上位机进行软件设计； ( 6 ) 利川汇编语言对系统下位机进行软件设计； ( 7 ) 为了提高系统的可靠性和安全性。研制系统的抗干扰措施。 1 5 本章小结 本章首先介绍了研究粮仓测控系统的目的与意义其次了解目前国内外粮仓测控系统的 研究现状及发展趋势。最后提出本文要傲的主要工作 6 2 系统总体方案设计 储粮的主要物理参数是粮食的温度以及粮库内、外的温度、湿度，这些参数的快速、准 确、自动监测对_ 丁减少粮食损耗具有重要意义粮情检测系统是能够对粮食自动进行测温、 测湿、防j ； f 检测，实现粮情的自动监测；完成粮食状态的分析与估计的智能系统。该系统利 _ i j 计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计成主从1 ：作方式，主机麻具备通讯、数据 显示、数据存储、数据分析等主要管理功能；下位机系统应该具备通讯、控制及参数输入等 基本功能。 2 1 系统总体结构 该系统充分利用多点分布式控制系统的优点，为一个多变量的输入输山测控系统，p c 机和转换模块放在微机房内，测控分机和传感器安装在粮仓内部。粮情测控系统土机结构图 图2 1 所示，分机结构图如图2 - 2 所示 图2 1 系统土机结构图 f i g 2 lm a i n f r a m ec h a r t 上位机选用p c 机作为主机，与多台下位机通过转换模块实现主从通讯，对多个粮仓进 行网络化的检测、管理、和控制。由于p c 机的串口是r s - 2 3 2 标准传输距离短容易受外 界干扰，所以采用r s - 4 8 5 总线与测控分机连接。构成上位主机和若干分机的串行通信。它 支持多点通信，传输距离眭可根据情况随时进行系统的调整和扩展。为避免通讯中可能出 现的信息冲突与竞争，首先是对各从机进行编址通讯时，主机先发送地址帧，各从机收到 地址帧后，与自身地址相比较，如果相同则发送数据，不同则继续等待主机访问，主机收剑 数据后。发确认信号给从机，从机收到确认信号后一次通讯即告结束；若土机未收到数据则 从机重复发送，直到收到确认信号为止。 7 苣 一x t s s 恒丝矍卜+ 匝卜 一 显示器 片 _ _ 一键盘 j 人体红外传感j - 机 - j报警系统 温度传感器 l 斗 珥阿 图2 - 2 系统分机结构图 f i g 2 2s y s t e me x t e n s i o n sc h a l t f 位机采用单片机最小系统设计，作为从机，不用外扩其他硬件屯路，成本低，体积小。 为避免通讯中可能出现的信息冲突与竞争每个从机都有一个固定的地址通讯时主机先发 送地址帧，各从机收到地址帧后，与自身地址相比较，如果相同则发送数据，否则等待。主 要功能是完成巡回检测和传送。从机定时采集数据并保存在内部的r a m 中，通过本身带 有的r s - 4 8 5 接口实现与主机的远距离通讯。 控制系统的设计上位机经过一定程序运行后向单片机发出启动信号，启动单片机及被 控机构，同时，准备接收下位机即单片机送来的信号和数据。被启动的卜位机一方面动传 感器米测茸粮仓环境，井将采集到的信号经放大器放人，送入 d 转换电路转换成相应的数 字量后，送入单片机进行预处理，另一方面把采集到的数据存储并向中心上位机发送，同时 上位机发出控制信号，去控制执行机构以达到粮食所需的环境 通讯接口模块的设计，利用s t c 8 9 c 5 2 单片机的标准串行接口，采h jr s - 4 8 5 串行接口 总线。它成本低、线路少、维护方便，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致 而被广泛采用。r s - 4 8 5 是半双工串行接口。采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰 的能力和接收灵敏度。但当共模电压超过i 强4 5 8 接收器的极限接收电压，即大于+ 1 2 v 或小 于- 7 v 时，接收器就无法正常工作。所以本系统通过d c d c 将系统电源和r s - - 4 5 8 收发器的 电源隔离；通过光藕将信号隔离增加抗干扰能力。系统使用美国生产的m a x 4 8 5 低功耗的 r s - 4 8 5 通信收发器。速率高达2 5 m b s ，其标准的传输距离可达1 2 0 0 多米。 2 2 主要技术参数 系统平台 ( 1 ) 硬件平台：p c 机，单片机； ( 2 ) 软件操作平台：w i n d o w s x p ： ( 3 ) 戍川软件平台：v b 程序设计语言，a c c e s s 关系数据库。 检测范围 ( 1 ) 温度范围：一5 5 + 1 2 5 ： 8 ( 2 ) 湿度范同：5 r h 9 5 r h ； i ：作环境温度：一4 0 8 5 ： 。1 ：作环境湿度：1 0 r h 删, 4 p d 1 2 3 检测数据处理 ( 1 ) 数据分析：通过对个传感器所测量的数据结果进行分析，判断粮仓是否处丁安全状态； ( 2 ) 数据打印：对温度、湿度数据打印； ( 3 ) 数据管理：对数据进行计算、统计、汇总及打印。 2 4 检测方式 ( 1 ) 实时检测：不间断地对粮食进行检测； ( 2 ) 定时检测：在指定的时问或日期对粮食进行检测 2 5 报警系统 对采集到的温度、湿度数据进行分析，达到报警点的具体位置时系统报警。对防j ；i l 进行 检测时，指标数据超山警戒范围时系统报警。 2 6 本章小结 本章介绍了系统的主机结构图和分机结构图并详细说明了本系统的设计方案及技术参 数 9 3 系统硬件部分设计与实现 本粮仓测控系统采用的就是主从分布式，分布式控制具有很多优点。( 1 ) 减少了系统接 线的复杂程度和接线费用，同时也降低了信号的干扰和时针：( 2 ) 使系统具有很高的可靠性； ( 3 ) 使系统配置灵活易于扩充和修改。 3 1s t 0 8 9 c 5 2 的介绍 s t c 8 9 c 5 2 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰，高速、低功耗的单片机 指令码完全兼容传统8 0 5 1 单片机，j 2 时钟，机器周期和6 小时机器周期可任意选择晟新的 d 版本内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。 。 3 1 1s t c 8 9 0 5 2 单片机的特点 s t c 8 9 c 5 2 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机 指令码完全兼容传统8 0 5 i 单片机1 2 时钟，机器周期和6 小时，机器周期可任意选抒屉新的 d 版本内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。 ( 1 ) 增强型6 时钟，机器周期1 2 时钟，机器周期8 0 5 lc p u ： ( 2 ) ：作电压：5 5 v 3 4 v 3 8 v 2 0 v ： ( 3 ) l ：作频率范隔：0 4 0 m i - i z ，相当于普通8 0 5 1 的0 8 0 m h z 。实际i ：作频率可达4 8 m h z ； ( 4 ) 埘户应川程序空间4 k ，8 l ( ，1 3 u 1 6 k ，2 0 刚3 2 蹦4 k 字节： ( 5 ) 片上集成1 2 8 字节，5 1 2 字节r a m ； ( 6 ) 通用i o 口( 3 2 3 6 ) ，复位后为：p 1 脚伊3 p 4 是准双向口，弱上拉( 普通8 0 51 传统v o ) ； ( 7 ) i s p ( 在系统可编程y l a p ( 在应用可编程) ，无需专用编程器，仿真器； ( 8 ) 巳。p r o m 功能； ( 9 ) 内盖看| j 狗： ( 1 0 ) 内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，外部晶体2 0 m 以下时，可省外部复位电路： ( 1 1 ) 共3 个1 6 位定时器肼数器其中定时器0 还可以当成2 个8 位定时器使用： ( 1 2 ) 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发中断，p o w e rd o w n 模式可由外部中断 低电平触发中断方式唤醒： ( 1 3 ) 通用异步串行e i ( u a r t ) 还可用定时器软件实现多个u a r t ； ( 1 4 ) 工作温度范围：o 7 5 ，- 4 0 + 8 5 ； ( 1 5 ) 封装：p d i p - 4 0 ；p l c c ：p q f p - 4 4 。 3 1 2s t c 8 9 c 5 2 的硬件结构 s t c 8 9 c 5 2 的硬什结构图如图3 - 1 所示。 i o ： 1 = 罕 阱j 重鹫_ l 复 司 i 响 ， 墨_ = j 旧i 嚣 ：l l 乙。 l-”